量子计算新里程碑:牛津大学打破量子逻辑门精度记录

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钙-43离子量子位状态和用于边带冷却(sideband cooling)、单量子位和两量子位门的拉曼变换(Raman transition)

牛津大学传来了好消息。在创造量子计算机的道路上,科学家们又到达了下一个里程碑!由英国工程和物理科学研究理事会(EPSRC)资助的网络量子信息技术中心(NQIT)的科学家已经将量子逻辑门(quantum logic gate)的精度提升到了让人惊叹的 99%。这一成果的振奋人心之处尤其在于,这一精度已经达到了实际构建一台量子计算机所需的理论精度基准。

量子计算机具备的处理能力将远远超过当前计算技术的处理能力。所以理解量子计算及其实现方式的知识也要远远难于当前技术的知识,这一点并不让人吃惊。正如 EurekAlert 网站说的那样,人们经常用一个非常简化了的比喻来理解量子计算技术的强大能力:今天的传统计算技术可以比作是在图书馆中看书,一次看一本;而与之相比,量子计算技术则是一次读完整个图书馆。这就是量子计算的力量。

牛津大学莫德林学院研究者、该论文的第一作者 Chris Ballance 博士说:「『量子计算机』的研发是 21 世纪最突出的技术挑战之一。量子计算机是一种根据量子物理学规则处理信息的机器,量子物理学描述了原子乃至更小尺度上微观粒子的行为。」

「重要的一点是:它不仅是一种不同于我们现在日常计算机的工作方式的计算技术;它也是一种根本上不同的信息处理方式。事实证明量子机制的信息操作方式能给量子计算机带来远比任何可以想象的常规计算机更加高效的解决特定问题的方法。其中这样的一个问题是安全密码破解,另外还有搜索大型数据集等。量子计算机天生就很适合模拟其它量子系统,这可能有助于我们,比如说,理解化学和生物学相关的复杂分子。」

据该论文的另一位作者、牛津大学物理系和巴利奥尔学院教授 David Lucas 介绍,「量子纠缠(quantum entanglement)」的概念是这一技术的核心。人们在讨论这一概念时常常将其比作是位于世界不同地方能够感受彼此的痛苦和情绪的双胞胎。只不过这些科学家是在原子的尺度上这样做。Lucas 教授解释说:「量子纠缠描述了一种有两个量子物体存在的情况——在我们的案例中是两个单独的原子——它们共享一个共同的量子态。也就是说,比如说,测量其中一个原子的性质可以了解另一个原子的性质。」

牛津大学的这些研究者寻找了使用这些原子来构建量子逻辑门的方法。这需要将两个不同的原子放入到同一个量子纠缠态之中。之前已有专家表明如果这种逻辑门的精度低于 99%,那么理论上就不可能构建出量子计算机。理论的阈值需要达到 99.9%。正是这样的背景说明了牛津大学这一成果的激动人心之处,该研究的论文发表在今年 8 月份的《物理评论快报(Physical Review Letters)》上。

下一步的目标是要实现精度达到 99.99% 的逻辑门。

当然,光是有高精度的逻辑门还不足以让我们制造出量子计算机。但正如 Lucas 教授说的那样:「量子逻辑门本身并不能构成量子计算机,但如果没有它们,你也不能造出量子计算机。」

「如果类比一下传统的计算硬件,就是说我们终于找到了足够好的制作逻辑电路的晶体管的方法,但将成千上万个晶体管连接起来制造电子计算机的方法仍然还在孕育之中。」

论文:使用囚禁离子超精细量子位的高保真度量子逻辑门

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摘要

我们在激光驱动的两量子位和单量子位逻辑门上分别实现了 99.9(1)% 和 99.9934(3)% 的保真度(Fidelity),显著超过了容错量子计算所需的约 99% 的最小阈值水平,我们使用了存储在一个室温阱中的钙-43 离子的超精细基态中的量子位。我们研究了两量子位门的速度与保真度之间的权衡,门的时间设置在 3.8 μs 到 520 μs 之间;我们开发了一种与数据保持一致的理论误差模型,这让我们可以识别失真(infidelity)的主要技术来源。

论文地址:High-fidelity quantum logic gates using trapped-ion hyperfine qubits

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